CN110865174A - 一种实验室内模拟土壤背景红外特性的方法 - Google Patents
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Abstract
一种实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，本发明根据影响裸露土壤表面红外特征的因素，模拟裸露土壤红外特征，能够简单、准确的在室内环境中实时测量裸露土壤表面不同季节红外特征昼夜的变化，也可以解决伪装目标与背景土壤不同季节红外特征昼夜变化相似性的测量，本发明可以在相同的模拟辐射环境下，测试伪装目标和裸露土壤背景四季的红外辐射特征差异，与野外测试相比，不需要等待季节变化，方法简单易于实施等，适合大范围的推广和应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟土壤背景红外特征的方法，具体涉及一种实验室内模拟土壤背景红外特性的方法。
背景技术
已知的，对固定目标进行红外伪装时，要弄清目标所处背景红外特征的周日变化和四季变化特征，裸露土壤是固定目标伪装中常见的一种背景地物。不同类型的裸露土壤表面在不同季节、每天不同时段的红外特征各不相同。目前获取这些红外特征通常采用航测的手段。而组织航测，一是空域协调困难；二是受天气影响较大；三是经费较高；四是周期长，至少要一年的时间，需要组织四次以上的全天候勘测，才有可能获取不同季节不同时段的红外特征数据。
综上，如何提供快速、简便的测量裸露土壤表面红外特征就成了本领域技术人员的长期技术诉求。
发明内容
为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，本发明能够简单、准确的在室内环境中实时测量裸露土壤表面不同季节红外特征昼夜的变化，也可以解决伪装目标与背景土壤不同季节红外特征昼夜变化相似性的评估。
为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：
一种实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，所述方法具体包括如下步骤：
第一步、制作土壤样本：
A、首先将背景中裸露的土壤制成玻璃钢硬膜；
B、挖取土壤，然后将挖取的土壤捣碎烘干并称重，获取土壤干燥时的质量m1；
C、将土壤样品等分成四份，按照四季土壤含水率ρ，分别向土壤样品中加入
重量的水，搅拌均匀后分别加入四个测试容器中；
D、利用玻璃钢硬膜，分别将四个测试容器中的土壤压实，完成四个季节土壤样本的制作；
第二步、环境模拟及红外特征测量：
A、将制作完成的四份土壤样本放入实验室内，首先模拟春季环境的温湿度，调整室内温湿度；
B、设定恒温板温度，使土壤温度平衡；
C、太阳模拟器按照土壤表面辐射值定时调节一次辐射值，对春季土壤样本进行照射，模拟从日出至日落的辐射值；
D、重复步骤A、步骤B和步骤C，分别对夏季、秋季和冬季土壤样本进行照射；
第三步、土壤四季红外特征测量：
将红外热像仪设置于土壤样本上方，分别测量并记录四份土壤样本表面不同红外辐射环境下的土壤样本表面辐射温度及温度分布。
所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，所述玻璃钢硬膜的制作方法为在裸露的土壤表面喷涂脱模剂，干燥后刷涂硅胶，干燥后再喷涂脱模剂，然后再刷一层树脂、最后铺一层玻璃纤维布，干燥后即获得玻璃钢硬膜。
所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，所述测试容器底面设有恒温板。
所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，所述背景中裸露土壤的面积为1m*1m。
所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，所述挖取土壤的深度为0.5m。
所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，所述四季土壤含水率中春季的土壤含水率为18％，夏季的土壤含水率为25％，秋季的土壤含水率为20％，冬季的土壤含水率为15％。
所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，所述测试容器为0.5m*0.5m*0.5m的混凝土容器。
所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，所述土壤表面辐射值由太阳直射辐射值、大气散射辐射值和地面反射辐射值三部分组成，其中太阳直射辐射值Iz由如下公式计算得出：
式中Io为太阳辐射常数，τz为大气透明系数，δs为赤纬角，L为地理纬度，β为坡度，αw为坡向，hs为时角；
大气散射辐射值Is由如下公式计算得出：
Is＝Io·(0.271-0.294τz)·cos2(β/2)sinα
地面反射辐射值If由如下公式计算得出：
If＝r·Io(0.271+0.706τz)·sin2(β/2)sinα
式中r为地表反射率；
土壤表面辐射模拟值由如下公式计算得出：
I＝Iz+Is+If。
所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，所述太阳模拟器每15分钟调节一次辐射值。
采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：
本发明根据影响裸露土壤表面红外特征的因素，模拟裸露土壤红外特征，能够简单、准确的在室内环境中实时测量裸露土壤表面不同季节红外特征昼夜的变化，也可以解决伪装目标与背景土壤不同季节红外特征昼夜变化相似性的测量，本发明可以在相同的模拟辐射环境下，测试伪装目标和裸露土壤背景四季的红外辐射特征差异，与野外测试相比，不需要等待季节变化，方法简单易于实施等，适合大范围的推广和应用。
附图说明
图1为土壤样本的制作流程图；
图2为实验室内模拟土壤红外特征测量示意图；
图标：1、土壤样本；2、测试容器；3、恒温板；4、红外热像仪；5、太阳模拟器。
具体实施方式
通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；
需要说明的是，影响裸露土壤表面红外特征的因素主要包括土壤温度和表面发射率两个方面。
影响土壤温度的因素包括：1、土壤的物理性质，土壤的物理性质不同，它的热容量和导热率也不同，土壤温度状况就不一样。2、土壤结构状况，土壤主要由固体、液体和气体三部分组成，固体成份的热容量在0.4～0.6之间，土壤水分的热容量为1，土壤空气的热容量为0.0003，土壤组成不同，其温度变化的快慢也不同。3、土壤的表面状况，土壤的颜色和表面粗糙度直接影响土壤吸热和散热的能力。4、背景环境的情况，随着辐射(太阳直射辐射、大气散射辐射和地表反射辐射)、气温和大气湿度的昼夜和季节变化，地表温度亦随之发生周期变化。5、土壤温度日变化的振幅(最高与最低值之差)随着深度的增加而减小，在350mm以下已不显著，也就是说近似于常温层。
影响土壤表面发射率的因素主要为土壤表面状态和土壤结构状况。由于土壤表面发射率的测量不是本发明保护的重点，所以本发明只是说明其影响因素，并据此使制作的土壤样本满足这些要求。
因此，在实验室内测量裸露土壤表面红外特征关键，一是土壤样本能够模拟土壤的物理性质、含水率、组成状况、表面颜色、表面粗糙度和常温层温度，二是背景环境能够模拟太阳直射辐射、大气散射辐射、地表反射辐射、大气温度和湿度等。
结合附图1～2所述的一种实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，所述方法具体包括如下步骤：
第一步、如图1所示，制作土壤样本1：
A、首先将背景中裸露的土壤制成玻璃钢硬膜；所述玻璃钢硬膜的制作方法为在裸露的土壤表面喷涂脱模剂，干燥后刷涂硅胶，干燥后再喷涂脱模剂，然后再刷一层树脂、最后铺一层玻璃纤维布，干燥后即获得玻璃钢硬膜，在实际应用时，玻璃钢硬膜的厚度一般为5mm，上述喷涂步骤可交替进行，层数主要取决硬膜的厚度；所述背景中裸露土壤的面积选为1m*1m，主要是取决于太阳模拟器2的有效辐射面积，因为需要做四块土壤样本，所以裸露土壤的面积为有效辐射面积的四倍，但不是一个确定的值，也就是说可以根据太阳模拟器2的有效辐射面积进行调整；
B、挖取土壤，然后将挖取的土壤捣碎烘干并称重，获取土壤干燥时的质量m1，所述挖取土壤的深度为0.5m；在实际操作中，土壤深度大于0.35m即可满足，本发明在实施例中取0.5m的值是保证了富余量；
C、将土壤样品等分成四份，按照四季土壤含水率ρ，分别向土壤样品中加入
重量的水，搅拌均匀后分别加入四个测试容器2中，在加入土壤前在测试容器2底面设有恒温板3，加入时，土壤样品的厚度为350mm，模拟土壤结构，所述四季土壤含水率中可以按春季的土壤含水率为18％，夏季的土壤含水率为25％，秋季的土壤含水率为20％，冬季的土壤含水率为15％；在实际操作中，土壤四季的含水率在不同地区是不同的，因此在实际应用中可以根据实际情况进行调整；
D、利用玻璃钢硬膜，分别将四个测试容器2中的土壤压实，完成四个季节土壤样本1的制作，所述测试容器2为0.5m*0.5m*0.5m的混凝土容器，实现模拟原土壤表面粗糙度；在实际操作中，测试容器2的大小取决于太阳模拟器5的有效辐射面积，即可以做调整；
第二步、环境模拟及红外特征测量：
A、将制作完成的四份土壤样本1放入实验室内，首先模拟春季环境的温湿度，调整室内温湿度；
B、设定恒温板3温度，使土壤温度平衡；
C、太阳模拟器5按照土壤表面辐射值每15分钟调节一次辐射值，在实际操作中，每15分钟调节一次辐射值是根据目前的太阳模拟器2变辐射值的频率决定，对春季土壤样本1进行照射，模拟从日出至日落的辐射值；所述土壤表面辐射值由太阳直射辐射值、大气散射辐射值和地面反射辐射值三部分组成，其中太阳直射辐射值Iz由如下公式计算得出：
Iz＝Ioτz[sinδs(sin L cosβ-cos L sinβcosαw)+cosδscoshs(cos L cosβ-sin Lsinβcosαw)+cosδssinpsinαwsin hs
式中Io为太阳辐射常数，τz为大气透明系数，δs为赤纬角，L为地理纬度，β为坡度，αw为坡向，hs为时角；
大气散射辐射值Is由如下公式计算得出：
Is＝Io·(0.271+0.294τz)·cos2(β/2)sinα
地面反射辐射值If由如下公式计算得出：
If＝r·Io(0.271+0.706τz)·sin2(β/2)sinα
式中r为地表反射率；
土壤表面辐射模拟值由如下公式计算得出：
I＝Iz+Is+If
土壤表面的辐射时间h由如下公式计算得出：
D、重复步骤A、步骤B和步骤C，分别对夏季、秋季和冬季土壤样本1进行照射；
第三步、土壤四季红外特征测量：
将红外热像仪4设置于土壤样本1上方，分别测量并记录四份土壤样本1表面不同红外辐射环境下的土壤样本表面辐射温度及温度分布，在实际操作中，获取红外辐射温度和温度分布，即完成红外特征的数据获取，若需要对目标和背景红外特征评估的话，则需要对辐射温差和温度分布相似性进行分析。
本发明的具体实施例如下：
以裸露土壤和迷彩板为例，模拟两者在不同季节，昼夜红外特征变化的测量方法如下：
实验测量内容：测量该背景中土壤和迷彩板在8～14μm波段不同季节的红外特征变化。
第一步、制作土壤样本1：
A、首先在背景中1m*1m的裸露土壤表面喷涂脱模剂，干燥后刷涂硅胶制作硅胶软膜，制玻璃钢硬膜；
B、挖取0.5m深的土壤，捣碎烘干并称重，获取土壤干燥时的质量m1；
C、将土壤样品等分成四份，按照四季土壤含水率ρ，分别向土壤样品中加入
重量的水，搅拌均匀后加入0.5m*0.5m*0.5m的混凝土测试容器2中；
D、利用步骤A中制作的玻璃钢硬膜，将四个测试容器2中的土壤压实，完成四个季节土壤样本1的制作；
第二步、环境模拟及红外特征测量：
A、将制作完成的四份土壤样本1放入实验室内，首先模拟春季环境的温湿度，调整室内温湿度；
B、设定恒温板3温度，使土壤温度平衡；
C、太阳模拟器5按照公式I＝Iz+Is+If定时调节一次辐射值，对春季土壤样本1进行照射，模拟从日出至日落的辐射值；
D、重复步骤A、步骤B和步骤C，分别对夏季、秋季和冬季土壤样本1进行照射；
第三步、土壤四季红外特征测量：
将红外热像仪(4)设置于土壤样本(1)上方，分别测量并记录四份土壤样本(1)表面不同红外辐射环境下的土壤样本表面辐射温度及温度分布。
然后利用红外热像仪，分别测量并记录不同红外辐射环境下的迷彩板表面红外图像。
本发明根据影响裸露土壤表面红外特征的因素，模拟裸露土壤红外特征关键在于，一是土壤样本能够模拟土壤的物理性质、含水率、组成状况、表面颜色、表面粗糙度和常温层温度，二是背景环境能够模拟太阳直射辐射、大气散射辐射、地表反射辐射、大气温度和湿度。
本发明与现有技术相比，具有如下优越性：
1、可以通过对裸露土壤含水率、气温和湿度等参数控制，来模拟其红外辐射特征的昼夜变化和四季变化规律。
2、可以在相同的模拟辐射环境下，测试伪装目标和裸露土壤背景四季的红外辐射特征差异，与野外测试相比，不需要等待季节变化，方法简单易于实施等。
本发明未详述部分为现有技术。
为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。
Claims (9)
1.一种实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，其特征是：所述方法具体包括如下步骤：
第一步、制作土壤样本(1)：
A、首先将背景中裸露的土壤制成玻璃钢硬膜；
B、挖取土壤，然后将挖取的土壤捣碎烘干并称重，获取土壤干燥时的质量m1；
C、将土壤样品等分成四份，按照四季土壤含水率ρ，分别向土壤样品中加入
重量的水，搅拌均匀后分别加入四个测试容器(2)中；
D、利用玻璃钢硬膜，分别将四个测试容器(2)中的土壤压实，完成四个季节土壤样本(1)的制作；
第二步、环境模拟及红外特征测量：
A、将制作完成的四份土壤样本(1)放入实验室内，首先模拟春季环境的温湿度，调整室内温湿度；
B、设定恒温板(3)温度，使土壤温度平衡；
C、太阳模拟器(5)按照土壤表面辐射值定时调节一次辐射值，对春季土壤样本(1)进行照射，模拟从日出至日落的辐射值；
D、重复步骤A、步骤B和步骤C，分别对夏季、秋季和冬季土壤样本(1)进行照射；
第三步、土壤四季红外特征测量：
将红外热像仪(4)设置于土壤样本(1)上方，分别测量并记录四份土壤样本(1)表面不同红外辐射环境下的土壤样本表面辐射温度及温度分布。
2.根据权利要求1所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，其特征是：所述玻璃钢硬膜的制作方法为在裸露的土壤表面喷涂脱模剂，干燥后刷涂硅胶，干燥后再喷涂脱模剂，然后再刷一层树脂、最后铺一层玻璃纤维布，干燥后即获得玻璃钢硬膜。
3.根据权利要求1所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，其特征是：所述测试容器(2)底面设有恒温板(3)。
4.根据权利要求1所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，其特征是：所述背景中裸露土壤的面积为1m*1m。
5.根据权利要求1所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，其特征是：所述挖取土壤的深度为0.5m。
6.根据权利要求1所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，其特征是：所述四季土壤含水率中春季的土壤含水率为18％，夏季的土壤含水率为25％，秋季的土壤含水率为20％，冬季的土壤含水率为15％。
7.根据权利要求1所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，其特征是：所述测试容器(2)为0.5m*0.5m*0.5m的混凝土容器。
8.根据权利要求1所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，其特征是：所述土壤表面辐射值由太阳直射辐射值、大气散射辐射值和地面反射辐射值三部分组成，其中太阳直射辐射值Iz由如下公式计算得出：
Iz＝Ioτz[sinδs(sin L cosβ-cosL sinβ cosαw)+cosδs coshs(cosL cosβ-sinL sinβcosαw)+cosδs sinβ sinαw sin hs
式中Io为太阳辐射常数，τz为大气透明系数，δs为赤纬角，L为地理纬度，β为坡度，αw为坡向，hs为时角；
大气散射辐射值Is由如下公式计算得出：
Is＝Io·(0.271-0.294τz)·cos2(β/2)sinα
地面反射辐射值If由如下公式计算得出：
If＝r·Io(0.271+0.706τz)·sin2(β/2)sinα
式中r为地表反射率；
土壤表面辐射模拟值由如下公式计算得出：
I＝Iz+Is+If。
9.根据权利要求1所述的实验室内模拟土壤背景红外特性的方法，其特征是：所述太阳模拟器(5)每15分钟调节一次辐射值。
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